Исследование трибологических характеристик технологических смазочных материалов с наполнителями при холодном пластическом деформировании металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, кандидат технических наук Пузырьков, Дмитрий Федорович

• Пузырьков, Дмитрий Федорович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пузырьков, Дмитрий Федорович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Особенности контактного трения и выбора технологических смазочных материалов в процессах холодного объемного деформирования.

1.1 .Особенности трения в процессах обработки металлов давлением.

1.2. Основные законы трения.

1.3. Вопросы применения технологических смазочных материалов при обработке металлов давлением.

1.4. Использование различных наполнителей в смазках для обработки металлов давлением.

1.5. Математическое моделирование и задачи, решаемые с помощью программно-вычислительного комплекса Deform-3D.

1.6. Особенности прямого и обратного выдавливания.

1.7. Выводы.

Глава 2. Методики исследований, материалы, оборудование.

2.1. Методика и оборудование, используемые для определения триботехнических характеристик технологических смазочных материалов с учетом реальных условий их применения.

2.2. Методики, используемые для определения стабильности смазочных композиций.

2.2.1. Методика оценки седиментационной стабильности смазочных композиций.

2.2.2. Методика оценки дисперсности наполнителей.

2.3. Исследуемые технологические смазочные материалы и наполнители.

2.4. Обрабатываемые материалы.

Глава 3. Оценка коэффициента трения при холодном выдавливании металлов.

3.1. Моделирование процесса прямого холодного выдавливания.

3.1.1. Основные допущения и исходные данные для математического моделирования на программном комплексе DEFORM-3D процесса прямого холодного выдавливания.

3.1.2. Результаты моделирования прогресса прямого холодного выдавливания.

3.2. Экспериментально-аналитический метод определения коэффиъ^иента трения между инструментом и заготовкой.

3.3. Моделирование процесса обратного выдавливания детали «палец поршневой».

3.3.1. Основные допущения и исходные данные для математического моделирования прогресса обратного выдавливания детали «палец поршневой».

3.3.2. Результаты моделирования процесса обратного выдавливания детали «палец поршневой».

3.4. Информационная база данных по трибологическим характеристикам технологических смазочных материалов с наполнителями.

3.5. Выводы.;.

Глава 4. Эффективность технологических смазочных материалов с наполнителями.

4.1. Обоснование композиции технологических смазочных материалов для тяжелонагруженньгх операций холодной объемной штамповки.

4.2. Влияние вида, дисперсности и процентного содержания наполнителя на седиментационную стабильность.

4.2.1. Краткая характеристика и некоторые физико-механические показатели наполнителей, использованных в работе.

4.2.2. Дисперсность порошковых наполнителей.:.

4.2.3. Седиментационная стабильность порошковых наполнителей.

4.3. Влияние вида, дисперсности и процентного содержания наполнителя на силу прямого выдавливания.

4.4. Выводы.

Глава 5. Промышленная апробация разработанных смазочных материалов.

5.1. Опытно-промышленные испытания смазочных материалов при изготовлении детали «палег( поршневой».

5.2. Технологический смазочный материал «Росойл-СН-М».

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование трибологических характеристик технологических смазочных материалов с наполнителями при холодном пластическом деформировании металлов»

Актуальность работы.

Взаимодействие поверхностей инструмента и заготовки при холодной пластической деформации металлов характеризуется предельными для процессов внешнего трения контактными давлениями (до 2000-2500МПа).

В условиях операций объемной пластической деформации металлов жидкие смазки не обеспечивают достаточного эффективного противодействия адгезионному взаимодействию поверхностей инструмента и заготовки. Поэтому применяют смазки с твердыми наполнителями, частицы которых экранируют соприкасающиеся поверхности, противодействуя адгезии, и снижают трение за счет того, что сдвиговые перемещения реализуются внутри частиц наполнителя.

Деформационный разогрев и упрочнение материалов контактирующих тел существенно усложняет протекание трибологических процессов при объемной пластической деформации металлов. Поэтому, использование справочных данных о коэффициентах трения, полученных на стандартных машинах трения снижает точность технологических расчетов.

Большой вклад в изучение проблем трения и изнашивания трибосопряжений и методов повышения сроков службы машин и оборудования внесли отечественные ученые Буше Н.А., Буяновский И.А., Гаркунов Д.Н., Дроздов Ю.Н., Захаров С.М., Крагельский Н.В., Матвеевский P.M., Михин Н.М., Семенов А.П., Сорокин Г.М., Хрущов М.М., и другие.

Значительный вклад в развитие науки о трении при обработке металлов давлением внесли многие ученые, в том числе профессора: Белосевич В.К.,

Грудев А.П., Исаченков Е.И., Казаченок В.И., Колмогоров В.Л., Леванов А.Н., Тилик В.Т. и другие.

Однако определение триботехнических характеристик смазочных материалов с наполнителями для холодной пластической деформации до сих пор остается актуальной задачей повышения эффективности механообработки.

Диссертация выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ) и в Научно-исследовательском институте «Триботехники и смазки» при НИЧ УГАТУ и связана с проведением исследований в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2013гг., Государственной научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» 2001-2002гг.

Цель работы - разработка методики определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой в процессах холодного пластического деформирования металлов и создание информационной базы данных по триботехническим характеристикам наполнителей в технологических смазочных материалах.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы основные задачи исследования;

1. Выполнить анализ и выявить особенности определения и выбора коэффициента трения при проектировании операций холодной объемной штамповки.

2. Разработать методику определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой при холодном объемном пластическом деформировании металлов.

3. С помощью программно-вычислительного комплекса (ПВК) Deform-3D математически смоделировать процессы холодного прямого и обратного выдавливания, оценить влияние коэффициента трения на параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки, ее нагрев в процессе деформирования, а также силы и контактные давления.

4. Провести исследования триботехнических характеристик и седиментационной стабильности порошковых наполнителей различной природы в технологических смазочных материалах (ТСМ) и сформировать информационную базу данных по этим характеристикам и значениям коэффициентов трения.

5. Разработать новый состав ТСМ для обратного выдавливания детали «палец поршневой» двигателя автомобиля КамАЗ, позволяющий повысить качество получаемых заготовок и стойкость штамповой оснастки.

Научная новизна.

1. Предложена методика определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой при пластическом деформировании металлов, основанная на результатах физического и математического моделирования технологической операции.

2. Получены зависимости коэффициентов трения от давления, которые позволяют учитывать в расчетах значения коэффициентов трения, соответствующие локальным участкам контактных поверхностей.

3. Установлены зависимости параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки и инструмента, нагрева заготовки в процессе пластического деформирования, а также сил прямого и обратного выдавливания, от величины коэффициента трения на контактных поверхностях.

4. Создана информационная база данных по триботехническим характеристикам и седиментационной стабильности ТСМ с твердыми наполнителями.

Практическая значимость работы состоит в создании методики определения коэффициентов трения между инструментом и заготовкой в процессе пластического деформирования металлов и формировании базы данных по триботехническим характеристикам, седиментационной стабильности и технологической эффективности порошковых наполнителей, используемых в смазочных материалах для объемной штамповки, а также разработке ТСМ «Росойл-СН-М», позволяющей реализовать в производстве технологию изготовления детали «палец поршневой» двигателя автомобиля КАМАЗ из стали 12ХН2 методами холодной объемной штамповки. Автор выносит на защиту:

- экспериментально-аналитический метод определения коэффициентов трения между инструментом и заготовкой при пластическом деформировании металлов;

- аналитические зависимости /л = f{p)~ величины коэффициента трения ц от нормальных давлений р - для различных ТСМ, которые позволяют повысить точность технологических расчетов при объемном холодном деформировании металлов;

- базу данных по триботехническим характеристикам типовых порошковых твердых наполнителей и их седиментационной стабильности, позволяющую выбирать наполнитель и его концентрацию, наиболее эффективную в составе смазочной композиции для конкретной технологической операции.

Заключение диссертации по теме «Трение и износ в машинах», Пузырьков, Дмитрий Федорович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан и апробирован экспериментально-аналитический метод определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой, позволяющий повысить точность и уменьшить трудоемкость определения коэффициента трения при пластическом деформировании металлов. На данный метод получен патент Российской Федерации № 2251680 от 5.05.2005г.

2. Получены зависимости коэффициентов трения от нормального давления И = /{р)> которые позволяют учитывать в расчетах коэффициенты трения не усредненные по поверхности, а соответствующие локальным участкам контактных поверхностей, что повышает на 12-14% точность расчета сил холодного деформирования металлов.

3. На базе ПВК Deform-3D разработаны математические модели процессов прямого и обратного выдавливания с помощью которых определены зависимости параметров НДС заготовки и инструмента, нагрева в процессе холодного деформирования, а также сил прямого и обратного выдавливания от величины коэффициентов трения на контактных поверхностях.

4. На основе результатов исследования порошковых материалов в качестве наполнителей ТСМ для процессов ОМД, создана база данных по их трибологической эффективности и седиментационной стабильности.

5. Разработан новый ТСМ «Росойл-СН-М», позволяющий устранить залипание заготовок на пуансоне, снизить давления на инструмент и уменьшить температурный разогрев в процессе деформации, и как следствие, повысить стойкость штамповой оснастки. Проведена его промышленная апробация. ТСМ внедрен в технологический процесс массового производства детали «палец поршневой» двигателя автомобиля КамАЗ.

6. За счет применения разработанного ТСМ «Росойл-СН-М» на операции холодного обратного выдавливания, силы трения снижаются в 2 раза по сравнению с типовыми ТСМ, хотя силы деформирования при этом снижаются лишь на 15%. Показано, что даже незначительное снижение коэффициентов трения существенно повышает стойкость штампового инструмента.

126

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пузырьков, Дмитрий Федорович, 2010 год

1. Грудев А.П. Трение и смазки при обработке металлов давлением. / А.П. Грудев, Ю.В. Зильберг, В.Т. Тилик. Справ. Изд. М.: Металлургия, 1982. -С.312.

2. Леванов А.П. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением. / А.Н. Леванов, В.Л. Колмогоров, Б.Р. Буркин, Ю.В. Ашпуг, Ю.И. Спасский. М.: Металлургия, 1976. - 416 с.

3. Исаченков Е.И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением. / Е.И. Исаченков М.: Машиностроение, 1978. - 208 с.

4. Бердичевский Е.Г. Смазочно-охлаждающие средства для обработки материалов: Справочник. / Е.Г. Бердичевский. М.: Машиностроение, 1984.-224 с.

5. Чертавских А.К. Трение и технологическая смазка при обработке металлов давлением. / А.К. Чертавских, В.К. Белосевич. М.: Металлургия, 1968. - 362 с.

6. Кокрофт М.Г. Смазки и смазочные материалы. Пер. с англ. / М.Г. Кокрофт М.: Металлургия, 1970. - 111 с.

7. Крагельский, И.В. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. /Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина В.В. // М.: Машиностроение, 1978. -4.1.-400 с.

8. Матвеевский P.M. Смазочные материалы: Антифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний: Справочник / P.M. Матвеевский, В.Л. Лашхи, И. А. Буяновский и др. М.: Машиностроение, 1989. - 224 е.; ил.

9. Бриджмен П. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. / П. Бриджмен Из-во иностр. лит. 1955. - 444 с.

10. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. / В.Д. Кузнецов ТГУ, Томск. «Красное знамя», 1947, - 543 с.

11. Дерябин, В.В. Молекулярная теория внешнего трения. / В.В. Дерябин //

12. Журнал физической химии. АН СССР, 1934 - Т.5, Вып. 9. - С. 11651176.

13. Ребиндер П.А. Сборник докладов на VI съезде русских физиков. / П.А. Ребиндер М.: Госиздат, 1928. - С. 29.

14. Матвеевский, P.M. Развитие теории граничной смазки. / P.M. Матвеевский//Трение и износ 1990. - T.l 1, №6. - С. 1103-1111.

15. Крагельский И.В. Трение и износ. 2-е изд., перераб. и доп. / И.В. Крагельский. М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

16. Леванов А.Н. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением. / А.Н. Леванов, В.Л. Колмогоров и др. М.: Металлургия, 1976, -416 с.

17. Крагельский И.В. Коэффициенты трения. Справочное пособие. / И.В. Крагельский, И.Э. Виноградова. М.: Машгиз, 1955. - 188 с.

18. Павлов И. М. Теория прокатки. / И.М. Павлов М.: Металлургиздат, 1950. - 610 с.

19. Bowden F.P. Friction ad lubrication of solids. / F.P. Bowden, D. Tabor. -Oxford, 1950.

20. Евстратов В.А. Теория обработки металлов давлением. / В.А. Евстратов Харьков: Вища школа, 1981. - 248 с.

21. Губкин, С.И. Пластическая деформация металлов. / С.И. Губкин. // М.: Металлургиздат, 1961. Т. 2.

22. Эйрих Ф. Реология. Теория и приложения. Пер. с. англ. / Под ред. Ф. Эйриха. М.: изд-во иностр. лит., 1962. - 824 с.

23. Целиков А.И. Теория расчета усилий в прокатных станах. / А.И. Целиков. М.: Металлургиздат, 1962. - 496 с.

24. Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением. / С.И. Губкин. М.: Металлургиздат, 1947. - 532 с.

25. Зильберг, Ю.В. Закон и модели пластического трения. / Ю.В. Зильберг25.